（道路与铁道工程专业论文）高烈度地震区高陡边坡支挡结构抗滑桩板墙的数值分析.pdf
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嬲嬲婴 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行 研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担 学位论文作者签名 像 他 b 瓤 y 年i 中日露日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查 阅和借阅 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数 据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文 同时授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到 中国学位论 文全文数据库 并进行信息服务 包括但不限于汇编 复制 发行 信息 网络传播等 同时本人保留在其他媒体发表论文的权利 学位论文作者签名 勿膨 日期 矽 j 年牛月f 孑e l 指导教师签名 日期 列1 年岬 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊 光盘版 电子杂志社c n 阻系列数据库中 全文发布 并按 中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程 规定享受相关权益 学位论文作者签名 龠岩多 日期 垆 年中月厅日 摘要 边坡及其支挡结构物的震害越来越受到人们的重视 特别是在汶川地震中 滑坡阻断了交通并严重阻碍了震后救援工作 汶川震后调查表明 支挡结构中抗 滑桩板墙整体毁坏的很少 只是部分出现了桩身外倾和扭转等破坏 但是如何发 挥抗滑桩良好的抗震性能 以及对地震作用下抗滑桩的薄弱环节的研究等都还很 不成熟 开展这一方面的研究是很有意义的 本文简述了国内外抗滑支挡结构物的震害类型 总结了震害特点和分类 讨 论了动力计算的特点 研究了边坡土体参数对抗滑桩抗震的影响 抗滑桩设计参 数的变化 锚索锚固力的不同对地震的动力响应 简述了抗滑桩震害的作用机理 总结了抗滑桩以及锚索抗滑桩的施工要点 在此基础上 本文结合重庆至利川铁路线上一段高陡边坡抗滑桩板墙工点 利用大型有限元软件a n s y s 进行了数值模拟 分析了抗滑桩在不同的土体参数以 及设计参数下的地震动力响应及相应的工程特点 主要分析总结如下 本文分析研究了静力及地震两种情况下典型工点的边坡稳定性 得出了 边坡的稳定安全系数 为边坡的治理提供了依据 分析研究了土体参数变化对抗滑桩的影响 讨论了内摩擦角和粘聚力对 桩间土拱效应的影响 研究了土体参数变化条件下的桩板墙的地震响应 分析研究了抗滑桩在不同桩间距 锚固深度以及截面尺寸时的受力特点 分析探讨了地震动力特性和各种设计参数选取的关系 针对上述薄弱环节与影响因素 提出了加强措施的建议 以期为类似工 程和今后的抗震设计规范的修改提供参考 关键词 抗滑桩板墙 地震 数值模拟 地震动力响应 稳定安全系数 a b s t r a c t m o r ea n dm o r ep e o p l ep a ya t t e n t i o nt ot h ed a m a g eo fs l o p er e t a i n i n gs t r u c t u r e s w h i c hi sc a u s e db ye r t h q u a k e p a r t i c u l a r l yi n t h ee a r t h q u a k ei nw e n c h u a n l a n d s l i d e s b l o c k e dt r a 伍ca n ds e r i o u s l yh i n d e r e dt h er e s c u ee f f o r t sa f t e rt h ee a r t h q u a k e s u r v e y a f t e rt h ee a r t h q u a k ei nw e n c h u a ns h o w e dt h a t i nt h er e t a m i n gs t r u c t u r e s l i t t l e s t a b i l i z i n gp i l e sw e r eo v e r a l ld a m a g e d a n dt h e r ew e r eo n l ye x t r a v e r s i o na n d r e v e l s e d a m a g e so ft h es t a b i l i z i n gp i l e b u th o wt op l a yt h es t a b b i n gp i l e s a b i l i t yt or e s i s t e a r t h q u a k ea n dh o wt or e s e a r c ht h ew e a k n e s s e so fs t a b i l i z i n gp i l e su n d e re a r t h q u a k e a r es t i l li m m a t u r e i nt h i sp a p e rt h es u m m a r yo fw o r l d w i d et y p i c a le a r t h q u a k ed a m a g eo ft h e s t r u c t u r et or e s i s tt h et h r u s to f t h el a n d s l i d ei sb r i e f l yd e s c r i b e d t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d c l a s s i f i c a t i o no fe a r t h q u a k ed a m a g ea r es u m m a r i z e s e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so fd y n a m i c c a l c u l a t i o ni sd i s c u s s e s e d t h es o i lp a r a m e t e r so fs l o p e c h a n g e si ns t a b i l i z i n gp i l e d e s i g n p a r a m e t e r sa n dd i f f e r e n t a n c h o r e df o r c ei n f l u e n c i n go ns t a b i l i z i n gp i l e r e s i s t i n ge a r t h q u a k ei sr e s e a r c h e d e a r t h q u a k e sm e c h a n i s mo fa c t i o no fs t a b i l i z i n g p i l ei sd e s c r i b e d t h ec o n s t r u c t i o np o i n t so fs t a b i l i z i n gp i l ea n da n c h o rs t a b i l i z i n gp i l e a r ed e s c r i b e dt o o b a s e do nt h ed a t ao ft h es t a b i l i z i n gp i l ew h i c hi ss i t u a t e d t h er a i l w a yl i n ef r o m c h o n g q i n g t ol i c h u a n a n s y sc o m p u t es o f t w a r ei su s e dt os t u d yt h es t a b i l i z i n g p i l e ss e i s m i cr e s p o n s ea n de n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c sw h i t hd i f f e r e n ts o i lp a r a m e t e r s a n dd e s i g np a r a m e t e r s t h ea n a l y s i sa n ds u m m a r ya r es u m m a r i z e da sf o l l o w i n g t h i sp a p e rw a sa n a l y z e dt h es l o p es t a b i l i t yi nb o t hs t a t i ca n ds e i s m i cc a s e s o b t a i n e ds l o p es t a b i l i t ys a f e t yf a c t o r a n dp r o v i d e dab a s i sf o rg o v e m a n c eo ft h e s l o p e d i s c u s s i n gt h ec h a n g e si ns o i lp a m m c t e r sh o w t oa f f e c tt h es t a b i l i z i n g p i l e a n a l y z i n gt h ea n g l eo f i n t e r n a lf r i c t i o na n dc o h e s i o no nt h ep i l eo fs o i la r c h i n g t h i sp a p e rw a sa n a l y z e dt h ep i l es p a c i n g a n c h o rr o dd e p t ha n ds e c t i o ns i z et o c o n s i s to fs t a b i l i z i n gp i l e s e i s m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h er e l a t i o n s h i pb t 嗍v a r i o u s d e s i g np a r a m e t e r ss e l e c t e d t h i sp a p e r a i m i n ga tt h et y p i c a lp a r t sa n dw e a kl i n k s p u t e d f o r w a r d r e c o m m e n d a t i o n st os t r e n g t h e nm e a s u r e s i tm a yp r o v i d e sr e f e r e n f o ra s c i s m i c d e s i g nc o d ef o rt h ef u t u r e k e yw o r d s s t a b i l i z i n gp i l e e a r t h q u a k e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n s s e i s m i cr e s p o n s e 目录 第一章绪论 l 1 1 研究的背景和问题的提出 1 1 2 抗滑支挡结构的震害类型及研究现状 3 1 2 1 抗滑支挡结构的震害类型 3 1 2 2 抗滑支挡结构的抗震研究现状 5 1 3 研究的意义和研究的内容 6 1 3 1 对高烈度地震区高陡边坡抗滑支挡结构研究的意义 6 1 3 2 本文研究的主要内容 7 第二章高烈度地震区抗滑桩板墙结构适应性及荷载分析 8 2 1高烈度地震区抗滑桩板墙结构适应性分析 8 2 1 1 抗滑桩板墙的结构特点 8 2 1 2 与其它支挡结构的对比 9 2 2 抗滑桩板墙结构计算特点分析 1 1 2 2 1 静力条件下的特点分析 1 1 2 2 2 动力条件下的特点分析 1 3 2 3 抗滑桩板墙结构的荷载分析 1 4 2 3 1 静力条件下公路与铁路高陡边坡的荷载分析 1 4 2 3 2 地震条件下公路与铁路高陡边坡的荷载分析 1 5 2 4 小结 1 6 第三章地震条件下支挡结构稳定的分析方法及研究重点 1 7 3 1 地震条件下解析分析方法简介 1 7 3 1 1 拟静力分析法 1 7 3 1 2n e w m a r k 滑块分析法 1 8 3 2 地震条件下数值分析方法 1 9 3 2 1 概述 1 9 3 2 2 有限元动力分析原理 2 0 3 3 地震条件下支挡结构尤其是抗滑桩板墙的研究重点 2 4 3 3 1 地震条件下支挡结构的几个关键技术问题 2 4 3 3 2 抗滑桩板墙重点研究环节 2 5 3 4 小结 2 7 第四章高烈度地震区高陡滑坡体的滑坡稳定性数值计算 2 8 4 1 滑坡体的滑坡稳定性计算方法 2 8 4 1 1 刚体极限平衡方法 2 8 4 1 2 滑坡稳定性数值计算法 3 0 4 1 3 有限元强度折减法的原理 3 1 4 2 工程实例分析 3 1 4 2 1 静力条件下有限元强度折减法计算滑坡稳定性系数 3 l 4 2 2 高烈度地震条件下有限元强度折减法计算滑坡稳定性系数 3 8 4 3 小结 4 1 第五章高烈度地震区高陡边坡抗滑桩板墙的数值分析 4 3 5 1 高陡边坡抗滑桩板墙数值分析 4 3 5 1 1 地震动参数 4 3 5 1 2 材料参数 4 4 5 1 3 有限元网格 4 6 5 1 4 计算结果分析 4 7 5 2 高陡边坡锚索抗滑桩板墙数值分析 5 5 5 2 1 静力条件下锚索抗滑桩板墙数值分析 5 6 5 2 2 地震条件下锚索抗滑桩板墙数值分析 5 9 5 2 3 计算结果分析 6 4 5 3 小结 6 6 第六章高烈度地震区高陡边坡抗滑桩板墙的设计参数影响研究 6 7 6 1 高烈度地震区高陡边坡抗滑桩板墙的设计参数影响研究 6 7 6 1 1 滑坡体参数的影响研究 6 7 6 1 2 抗滑桩桩间距的影响研究 7 3 6 1 3 抗滑桩锚固深度的数值分析 7 7 6 1 4 抗滑桩截面尺寸影响的数值分析 8 3 6 2 锚索桩锚固力的影响研究 8 9 6 3 抗滑桩板墙的设计方法与施工技术研究 9 1 6 3 1 抗滑桩板墙设计当中应满足的要求 9 1 6 3 2 抗滑桩板墙设计计算和地震作用计算的方法 9 2 6 3 3 抗滑桩板墙施工技术研究 9 4 6 4 预应力锚索抗滑桩板墙的设计方法与施工技术研究 9 7 6 4 1 预应力锚索抗滑桩板墙的设计方法 9 7 6 4 2 预应力锚索抗滑桩板墙施工技术 9 9 6 5 抗滑桩破坏机理分析 1 0 1 6 6 对现行铁路 公路支挡结构抗震设计规范的修改建议 1 0 3 6 7 小结 1 0 5 第七章结论与展望 1 0 7 7 1 结论与成果 1 0 7 7 2 问题与展望 1 0 8 致 射 1 1 0 参考文献 1 1 1 在学期间发表的论著及取得的科研成果 1 1 5 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的背景和问题的提出 随着西部大开发战略的实施 包括高速公路和高速铁路在内的大量的公路 铁路也相继修建 但我国西部地区在板块构造位置上位于欧亚板块的东南缘 其 西南边界受到印度板块 l k 北以及北一东向挤压力的强烈推挤作用 西北边受到 欧亚板块内的西伯利亚 俄罗斯地块的围限 导致了强震频次高 强度大 沿断 层带分布明显 2 0 0 8 年5 月1 2 日1 4 时2 8 分0 4 秒 在四川汶川8 级强震猝然 袭来 大地为之颤抖 山河为之移位 满地的残垣断壁叫人心碎 到处的生离死 别让人洒泪 西南之地吸引了国人最大的关注 这是新中国成立以来破坏性最强 波及范围最大的一次地震 地震使约5 0 万平方公里的中国大地受到重创 图1 1 汶川地震地质灾害和强震台站分布的关系 f i g 1 1t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e ng e o l o g i c a lh a z a r d sa n dv i o l e n t e a r t h q u a k ed i s 舸i b u t i o ni nw e n c h u a ne a r t h q u a k e 这次大地震破坏之强 波及范围之广 灾情之严重 历史罕见 世界震惊 地震震中烈度达1 1 度 发震断裂破坏长度达3 0 0 k m 持续时间达1 0 0 s 据调查 统计 地震引发的崩塌 滑坡 泥石流 堰塞湖等次生地质灾害多达1 2 0 0 0 多处 潜在隐患点近8 7 0 0 处 堰塞湖1 0 0 多处 形成了数十亿立方米的松散堆积物 四川省共有1 9 9 7 座水库 8 0 0 多座各型水电站 近2 8 万l m 公路 6 7 0 座公路 桥梁 2 4 座公路隧道 1 7 4 0 座城镇桥梁遭受不同程度的震损破坏n 1 汶川地震 诱发的1 5 0 0 0 多处滑坡明显受地震断裂控制 主要沿龙门山主中央断裂带和后山 断裂带展布 沿龙门山主中央断裂带汶川映秀一安县高北川陈家坝 平武南坝一 2 第一章绪论 线 滑坡面密度大于5 0 n 5 以上 最大可达7 0 0 5 沿断裂带形成了大量的松动山体 在暴雨期间极易发生滑坡 泥石流灾害 对灾后重建构成严重威胁 在救灾抢险 过程中 崩塌 滑坡等边坡灾害成为了阻断救援人员和物质的主要因素 道路不 通而延误的时间 绝大部分超过了生命搜救的最佳时间7 2 小时 所以 对地震 所引发的边坡地质灾害和工程破坏进行调查 分析 总结 研究就显得十分必要 这么多的人员伤亡 这么大的经济损失 多数都是由于房屋建筑 水利水电 设施 道路桥梁基础设施等的破坏造成的 这其中路基边坡尤其是高陡边坡支挡 结构的破坏不仅造成了直接的灾害 还阻断了交通延误了抗震救灾的时间 对于 救援人员开展救援行动 救援物资的运输 受伤人员的救治等都产生了极大的影 响 这些高陡边坡 山体在强烈地震的作用下产生了强大的动能 使得坡体破碎 局部失稳 从而产生滑坡等灾害 这也给泥石流的爆发提供了丰富的物质来源 图1 2j t j i i 大滑坡造成曲山镇老城区被掩埋 遇难1 6 0 0 人闭 f i g 1 2t h eo l dq u s h a n t o w nw a sb u r i e di nb e i c h u a nl a n d s l i d e 1 6 0 0p e o p l ek i l l e d 所以在汶川地震当中边坡 特别是高陡边坡支挡结构的破坏相当严重 因此 这就要求我们在对边坡特别是高陡边坡的支挡结构设计施工中要考虑到抗震的 要求 要做到 小震不坏 中震可修 大震不倒一 虽然早在上世纪5 0 年代 地震工程就纳入了我国的国家计划 但是各种抗 震设计规范还不是十分成熟 这次汶川地震对公路的破坏是惨重的 给了工程人 员惨痛的教训 而路基边坡的破坏在汶川地震公路破坏中是最为突出的 因此 在高烈度地震区进行支挡结构特别是高支挡结构的抗震设计就显得尤为重要了 本文旨在通过对高烈度地震区高陡边坡支挡结构的设计进行探讨 为设计者在今 后的边坡支挡结构设计提供一些参考 同时也为 铁路 公路 抗震设计规范 的修改提供参考 第一章绪论 3 1 2 抗滑支挡结构的震害类型及研究现状 边坡的抗滑支挡结构有很多种类型 在地震中不同的支挡结构其破坏程度 破坏类型也是不同的 而且不同的支挡结构根据其不同特点所开展的研究深度也 不同 1 2 1 抗滑支挡结构的震害类型 要了解高陡边坡抗滑支挡结构的震害类型 就必需先了解常见支挡结构的类 型 因此本小节就先针对常见支挡结构的类型 适用环境以及适用的边坡安全等 级进行介绍见下表1 1 再结合汶川地震中不同支挡结构的震害情况来讨论高烈 度地震区高陡边坡抗滑支挡结构的震害机理 表1 1 边坡支护结构常用形式 3 l t a b l e i ic o m m o nf o r mo fs l o p es u p p o r t i n gs t r u c t u r e 淤 边坡环境边坡高度边坡工程说明 结构类型 h m 安全等级 瞧 场地允许 坡土坡 h 8 土方开挖后边坡稳定较 重力式挡墙顶无重要建岩坡 h 1 0 一 二 三级 差时不应采用 苫 构 筑物 护臂式挡墙 填方区 土坡 h l o 一 二 三级土质边坡 悬臂式挡墙填方区土坡 h 8 一 二 三级土层较差 或对挡墙变形 岩坡 h 1 0要求较高时 不宜采用 板肋式或格构 对挡墙变形有较高要求 式锚杆挡墙土坡 h 1 5 一 二 三级 的土质边坡 宜采用预应 岩坡 h 3 0力锚杆 坡顶建 g o 土坡 h 1 5 严格按逆作法施工 对挡 排桩式锚杆挡筑物需要保岩坡 h 3 0一 二 级墙变形有较高要求的土 墙护 场地狭窄 质边坡应采用预应力锚 杆 i 类岩坡 h 3 0一 二 三级 岩石锚喷支护 i i 类岩坡 h 3 0 二 三级h 3 0 i i l 类岩坡 h 1 5 二 三级h 1 5 4 第一章绪论 续上表 恣 边坡环境边坡高度边坡工程说明 结构类型 h m 安全等级 坡项无重要 坡率法建 构 筑物 土坡 h 1 0 二 三级不良地质段 地下水发育 场地有放坡岩坡 h 2 5区 流塑状态时不应采用 条件 加加筋土挡h 2 0 一 二 三级墙面直立 高度超过1 2 m 筋 土墙 填方区需要分台阶修筑 土 技边坡坡度一般为l 术土钉墙原位边坡h 1 5二 三级0 3 6 l 0 对变形有严格 加固 要求的边坡工程不宜采 用 提高岩土的抗剪强度和 边坡整体稳定性 解决岩 注浆法h 1 5 一 二 级层的渗水 涌水问题 使 用时与其他加固措施联 合使用 以上总结了边坡支挡结构的常用形式 而根据滑坡的性质 类型和和抗滑挡 土墙的材料 结构和受力特点的不同 抗滑挡土墙也有多种类型 从结构类型上 看一般分为5 种 1 重力式抗滑挡土墙 2 加筋土抗滑挡土墙 3 锚杆式 抗滑挡土墙 4 板桩式抗滑挡土墙 5 竖向预应力锚杆式抗滑挡土墙h 1 在 汶川地震中常用的边坡支挡结构都受到了不同程度的破坏有的甚至是毁灭性的 破坏 而有些支挡结构的破坏就相对较轻 比如 抗滑桩板墙 锚杆挡土墙 加 筋挡土墙 锚拉式挡土墙等 所以我们应该从此次地震中汲取教训 为以后的支 挡结构抗震设计提供参考 通过现场大量实地资料归纳总结 此次汶川地震中边坡抗滑支挡结构的震害 类型见表1 2 第一章绪论5 表1 2 汶川地震中常见边坡支挡结构的破坏类型 t a b l e 1 2t h ec o m m o n t y p eo fd a m a g eo fs l o p er e t a i n i n gs t r u c t u r e si nw e n c h u a ne a r t h q u a k e 支挡结构名称破坏类型破坏模式距断层的距离与地质构造的关 系 垮塌 墙面开裂外鼓 挡墙墙项 墙体纵向开裂 墙身外外倾严重 重力式抗滑挡土倾 基础底面局部脱伸缩缝错 墙 空 局部被崩塌巨石砸开 垮塌 距震中和发震断 毁滑移层越近的支挡结 抗滑桩 桩板墙 破坏较少倾斜变形 构破坏程度也越从汶川地震可以 和局部小裂缝 大 在映秀 i i n 发现边坡走向与 锚杆 索 式抗滑少数或部分锚杆 索 青川 汗旺等处开断裂平行的边坡 挡土墙失效 框架梁折断 开 裂 滑移 膨胀 破坏较轻微 与走 裂 变形 移位 开裂 变形 移位向垂直或大角度 预应力锚杆式抗基本完好 等病害非常严重 相交的破坏较为 滑挡土墙 而远离震中和发严重 震断层的就破坏 拉筋断裂 面板脱落 较轻 加筋土式抗滑挡填料垮塌 两级间的混 墙 凝土折断 慧 1 2 2 抗滑支挡结构的抗震研究现状 在2 0 世纪5 0 年代 地震工程就已经纳入了国家计划 经过工程人员半个世 纪的不懈努力 在抗滑支挡结构的抗震方面取得了很大的成绩 并且陆续出版了 一些抗震的相关规范或标准 这些规范或标准都对抗震提出了设防要求 比如在 铁路工程抗震设计规范 巧1 中要求 抗震性能要求 性能要求i 地震后不损坏或轻微损坏 能够保持其正常使用功能 结构处 于弹性工作阶段 性能要求i i 地震后可能损坏 经修补 短期内能恢复其正常使用功能 结构整体处于非弹性工作阶段 性能要求i i i 地震后可能产生较大破坏 但不出现整体倒塌 经抢修后可 限速通车 结构处于弹塑性工作阶段 抗震设计原则 6 第一章绪论 1 线路应选择在设防烈度较低和对抗震有利的地段通过 2 构筑物体形简单 受力明确 自重轻 刚度和质量匀称 重心低 3 采用有利于提高结构整体性能的连接方式 4 条件允许时 可采用隔震 耗能装置 减小构筑物的地震反应 5 采用技术先进 经济合理 便于修复加固的抗震措施 6 采用对抗震有利的延性结构或材料 7 对非岩石地基 尤其是砂土液化地区 应对基础采取加强措施 而在2 0 0 6 年改版的 铁路工程抗震设计规范 中还增加了对 地震动峰值 加速度 和 地震动反应谱特征周期 方面的抗震设计要求 公路工程抗震设计规范 6 m 时 较悬臂式挡土墙经 济 抗击地震的能力较悬臂式挡土墙好 l 一一 第二章高烈度地震区抗滑桩板墙结构适应性及荷载分析 一 二二 抗滑桩板墙不仅在治理滑坡时有很强的优势 而且其良好的抗震性能也越来 第二章高烈度地震区抗滑桩板墙结构适应性及荷载分 1 1 越得到土木工程师们的认可 通过与其他支挡结构的对比分析得出抗滑桩板墙的 主要优点表现在 抗滑能力大 工程量小 在滑坡推力大 滑动面深的情况下 抗滑结构 节约投资 可靠 桩位灵活 可以设在滑坡体中最有利于抗滑的部位 单独使用 也可以 与其他建筑物配合使用 可根据承受的弯矩作用沿桩长变化合理布设钢筋 可与其他抗滑结构结合 实现优势互补 如为改善上部桩体的悬臂受力 特征 在桩顶布设预应力锚索 形成一个稳定三角形支撑结构 减小桩顶位移和 增强其抗弯刚度 提高桩体的抗滑能力 为了防止桩间土滑移 可在桩间设置拱 形挡墙 将其土压力引向桩位 具有良好的抵抗地震的能力 从这次汶川震后的灾害调查我们发现 边 坡支挡结构的破坏是非常严重的 但是抗滑桩的破坏却很少 2 2 抗滑桩板墙结构计算特点分析 抗滑桩在世界各国的滑坡治理中占有重要地位 迄今为止 它是在滑坡治理 中应用得最多的工程结构物 与其他杆件结构如柱 桩基础等相比 有其独特的 受力特点一主要承受横向荷载 有些类似于梁 但由于它埋藏在地层中 滑动面 的存在和地基土土体抗力的作用 又使其有别于简单的梁 成为一种超静定结构 所以抗滑桩板墙自身的结构特点决定了其计算特点 下面论文分别讨论在静力与 动力两种条件下抗滑桩板墙结构的计算特点以及在铁路与公路不同的高陡边坡 中所受的荷载情况 2 2 1 静力条件下的特点分析 目前 在抗滑桩内力计算分析中 常将滑动面上 下分别考虑 滑动面以上 视为弹性定向铰支的悬臂梁 滑动面以下视为w j n k l e r 弹性地基梁 抗滑桩承受 的外力 主要是作用在桩后的横向滑坡推力 有地下水时 应计入孔隙水压力 其次是桩前土体抗力 由桩前土体剩余抗滑力 被动土压力或弹性抗力中小者决 定 在静力条件下抗滑桩内力计算应特别注意其三个特点 滑坡推力及桩前土体抗力分布图式的选择是否合理 直接影响着滑动面 以上抗滑桩桩身内力的计算准确与否 进而影响滑动面以下桩身内力计算的准确 性 影响抗滑桩设计的合理性 滑坡推力是作用在抗滑桩上的主要外力 其大小 通过推力计算决定 国内采用的传递系数法 其作用方向平行于桩以上一段滑动 面 其分布图示一般是从滑动面到桩顶范围按矩形分布 规范也是这样的规定 1 2第二章高烈度地震区抗滑桩板墙结构适应性及荷载分析 这也是比较安全的 3 1 实际上不同类型的滑坡体岩土和结构 推力分布不一定都是矩形 国外多将 滑坡体视为散体 用三角形分布 合力作用点为滑面以上的下三分点 国内多用 矩形分布 合力作用点位于滑面以上的中分点0 5 h i h i 为滑面以上桩长 处 日本 有的学者认为滑坡滑动时 滑坡推力主要集中在滑动面以上1 2 m 处 因而认 为用三角形分布较为合适 参考文献 8 建议 当滑体是一种粘聚力较大的地层 如 粘土 土夹石 岩石等 时 其推力分布图式可近似按矩形考虑 如果滑体是一 种以内摩擦角为主要抗剪特性的堆积体 如砂土 其推力分布图式可近似按三角 形考虑 介于二者之间的 可按梯形分布 对滑动面以上土体抗力的分布图式 一般均按三角形考虑 笺 压 j 蛊压 二 一 卜 z 乏 一 一 一 一 一 一 一 f 一 一 1 1 i i 1 i 1 1 1 1 i i ii i 图2 1 目前常用的滑坡推力和土体抗力分布图式嘲 f i g 2 1t h el a n d s l i d et h r u s ta n dd i s t r i b u t i o np a t t e r no fs o i lr e s i s t a n c e 锄 c u r r e n t l yu s e d 桩前抗力的大小和分布 所谓 桩前抗力一指桩前滑体对桩的作用力 由于滑动面的存在 桩前滑体难以形成连续的弹性抗力 一般采用剩余抗滑力 桩 在抗滑段时 和被动土压力二者中的较小值 用剩余抗滑力时其分布图示为矩形 用被动土压力时为三角形 当桩前滑体有可能滑走时则不能考虑桩前抗力 抗滑桩是将滑动面以下锚固段作弹性地基梁计算的 将滑动面以上的作 用力转移到滑动面上 所以 地基的弹性抗力系数k 或其随深度变化的比例系数 m 以及桩侧地基的侧向承载能力的选取是重要的设计参数 第二章高烈度地震区抗滑桩板墙结构适应性及荷载分 1 3 表2 2 口勺乍岩石地基系数随深度变化的比例系数m 水平向 和胁 竖向 t a b l e 2 2n o n r o c kf o u n d a t i o nc o e f f i c i e n ts c a l ef a c t o rc h a n g e s w i t hd e p t hm h o r i z o n t a l 和m o v e r t i c a l 编号土的名称 m 和m o k n m 4 1 流塑粘性土i l 1 淤泥 3 0 0 0 5 0 0 0 2 软塑粘性土k 0 5 粉砂 5 0 0 0 1 0 0 0 0 3 硬塑粘性土0 k o 细砂 中砂 10 0 0 0 2 0 0 0 0 4 半坚硬的粘性土 粗砂2 0 0 0 0 3 0 0 0 0 5 砾砂 角砾砂 砾石土 碎石土 卵石土 3 0 0 0 0 8 0 0 0 0 6 块石土 漂石土 8 0 0 0 0 1 2 0 0 0 0 2 2 2 动力条件下的特点分析 地下结构抗震设计计算方法 一般分为静力法 拟静力法和动力反应分析法 3 大类 静力法计算过于粗糙 现在已基本淘汰 动力反应分析方法虽然精度高 但由于需要较深的多方面专业知识和技能 对工程师素质要求很高且操作繁杂 其计算结果的评价也不容易 因此除特别重大的工程项目或很复杂的结构和土 质条件外 国内外通常使用拟静力计算方法d 羽 在工程抗震设计中 港口工程 结构物抗震n 劬与水运工程抗震设计规范d 司中关于被动桩的抗震设计采用拟静力 法或反应谱法 在桩基础的抗震设计中 通常将地震时上部结构物的动力响应对 基础桩的影响简化为一个作用于基础桩顶部的水平力 并取用在此受力条件下桩 基础的承载能力 这就是现在被广泛采用的拟静力方法 目前的桩板墙结构设计计算中 无论是一般静力状态或者地震时的动力状态 均假定桩基嵌固于土体中而桩基土体仍处于稳定状态而不考虑土体的变形 在地 震作用下边坡土体将发生一定的变形而使桩处于复杂的受力状态 以往的试验研 究表明在地震作用下边坡土体对桩基结构的影响是显著的 由于抗滑桩板墙结构 的安全性主要取决于桩的安全性因此考虑桩土间相互作用的桩基结构动力分析 弄清地震作用下桩基的安全性是十分必要 地震时桩板墙同时承受地震荷载和边坡永久变形作用 因此地震荷载和边坡 永久变形对桩的作用应综合考虑 作用在桩上的地震荷载最大值发生在地震中的 某一时刻 而边坡永久变形是逐步积累的 其最大值发生在地震动完成后 它们 对桩的作用实际上不同时发生 但为方便研究且安全起见 我们一般认为它们的 综合作用是可以叠加的 地震时桩板墙内力可以认为是由地震荷载引起的桩内力 与边坡永久变形引起的桩内力两部分叠加而成 砂性土体在地震时容易引起液化 从而可能造成建筑物地基失效 震动液化 1 4 第二章高烈度地震区抗滑桩板墙结构适应性及荷载分析 引起的土体侧向变形 不仅可能发生在有静剪应力存在的地基中 而且可能发生 在没有静剪应力存在的水平地基中 地基的侧向变形是与液化有关的桩基础震害 的主要原因之一 可液化地基中桩板墙的设计不能仅考虑上部边坡土体震动的影 响 地基侧向变形的影响是不容忽视的 在考虑地基侧向变形的桩抗震设计中 需要注意的是 可液化地基的侧向变形 可分为液化前较小的震动变形 液化后 震动引起的大变形以及地震后的永久侧向位移三种情形 上部结构一桩一地基的 相互作用会因这三种情形的不同而不同 桩的设计应该考虑在这三种不同作状态 下的要求 2 3 抗滑桩板墙结构的荷载分析 一般支挡结构所承受的荷载主要为墙后土压力 包括车辆荷载所引起的侧 向压力 当遇到地震时还要计算地震动荷载对支挡结构物的影响 一般情况下 滑坡推力比一般土压力大得多 所以抗滑桩板墙应按滑坡推力进行计算 但对有 些中小型滑坡 应该比较滑坡推力与一般主动土压力的大小 取较大者进行控制 设计 如果滑坡推力的合力作用点位置较主动土压力高时 即使主动土压力比滑 坡推力大 挡墙的倾覆稳定性计算 仍应同时用滑坡推力进行验算 2 3 1 静力条件下公路与铁路高陡边坡的荷载分析 作用于抗滑挡土墙上的荷载 与一般挡土墙所受力相似 只是在进行抗滑挡 土墙设计时 侧压力一般不是采用主动土压力 而是滑坡推力 而且滑坡推力的 大小 方向 分布和合力作用点位置与一般挡土墙上的土压力也不同 所以在进 行抗滑挡土墙设计时应充分分析作用于挡土墙上的各种力系 合理确定作用于抗 滑挡土墙上的滑坡推力 通常将作用于抗滑挡土墙上的荷载分为基本荷载和附加 荷载 基本荷载是指由滑坡体和抗滑挡土墙本身产生的下滑力和阻滑力 它与滑坡 体的大小 容重 滑动面形状和滑面 带 的抗剪强度指标c m 值等因素有关 附加荷载是作用抗滑挡土墙上除基本荷载外的其他荷载 主要包括h 1 作用与滑体上的外加荷载 如 建筑物自重 车辆荷载等 对于水库岸坡 水库蓄水时滑体有水 且与滑带水连通时 应考虑动的 水压力和浮力 滑体两端有贯通主要滑带的裂隙 在滑动时裂隙充分 则应考虑的裂隙 水对滑体的静水压力 其他偶然荷载 如地震力和其他特殊力 多属于动荷载范畴 车辆荷载虽然是动荷载 但在实际计算时一般都换算为静荷载 公路工程 第二章高烈度地震区抗滑桩板墙结构适应性及荷载分 1 5 技术标准 n 明 j t gb 0 1 2 0 0 3 中规定 汽车荷载分为公路i 级和公路i i 级两 个等级 汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成 支挡结构物上汽车引起的土压力 计算只应采用车辆荷载 目前 汽车荷载作用下挡土墙土压力的计算 采用规范 公式 将汽车荷载换算为等代均布土层厚度 计算挡土墙土压力 根据 京沪高速铁路暂行规定 n 7 1 路基上的轨道及列车荷载可换算成3 0 m 高 3 4 m 宽的土柱 土柱重度为2 0 k n m 3 换算得路基面上静荷载为宽3 4 m 荷 载集度为3 o 2 0 6 0 k p a 的均布荷载 2 3 2 地震条件下公路与铁路高陡边坡的荷载分析 在地震荷载作用下除了要考虑静力条件下的各种荷载外 还要重点考虑地震 动荷载的影响 边坡在动荷载作用下的性能不同于静荷载作用下的性能 其影响 因素除了同样有静力性质 如土的物理 力学性质以及温度等外 还有3 个重要 因素 1 动荷的频率f 载荷的速率效应 2 载荷持续时间t 或动荷重复 次数n 循环效应 3 地震动峰值参数 地震动频谱参数 国内外有关地震动频谱参数特征的研究尚不多见n 氐 以往的研究主要以5 阻尼比加速度反应谱卓越周期t p 来反映地震动的频谱特征溉2 近期 r a t h j e m 瑚1 等对地震动的频谱周期特性进行了深入的研究 并定义了平滑化反应 谱卓越周期t o r f 最亿 1 lp g aj 舔 下 瓦2 i 罹研 q j 午 ip g aj t i 的取值范围 二兰 1 2 p u a 其中t 为5 阻尼比加速度反应谱等间距离散周期 s a t 为t 对应的谱加 速度 p g a 为峰值加速度 对t o 的定义是将不小于1 2 p g a 的反应谱进行平滑化 计算获得 t o 和t p 相类似 二者都可以反映反应谱的卓越周期 但t p 只表征加 速度反应谱中的一点 而t o 是对一定周期范围的反应谱的卓越周期的表征 它 是对t p 的一种改进 地震动频谱特性就是强震地面运动对具有不同自振周期的结构的响应 反应 谱是工程抗震用来表示地动频谱的一种特有的方式 这是由于它是通过单自由度 体系的反应来定义的 容易为工程界所接受 小震近震近坚硬场地上的地震动容 易使刚性结构产生震害 而大震软厚场地上的地震动容易使高柔结构产生震害 1 6 第二章高烈度地震区抗滑桩板墙结构适应性及荷载分析 这一规律从地震动的频谱特性去理解就很容易解释 前一种地震动的高频比较丰 富 而后一种则以底频含量较强 由于共振效应 前者易使高频结构受到破坏 后者易使底频结构受损 地震动持时参数 地震动持时是地震动三大要素之一 地震动持时大小对结构物的破坏有重要 的影响 近场地震对场地地震动持时起决定作 主震段或强震段的振幅越大 时 间较长 能量累积较快 是构成总能量的最主要部分 对结构反应的影响也大 震级越高 能量越大 地震释放能量的时间越长 相应的能量持时就越长 因而 采用相对能量持时可以比较客观的反应地震动的强震时间嘲1 强地震动的持续时 间在震害及对结构的影响 主要发生在结构反应进入非线性化之后 持时的增加 使出现较大永久变形的概率提高 持时愈长 则反应愈大 产生震害的积累效应 地震动峰值参数 峰值参数按定义就是地震动峰值加速度 可以作为确定烈度的依据 在以烈 度为基础作出抗震设防标准时 往往对相应的烈度给出相应的峰值加速度 例如 中国的新地震烈度表规定 烈度为 x 时相对应的峰值加速度平均值 分别为0 1 2 5 9 0 2 5g 0 5g 1 o g 2 4 小结 本章重点开展了以下分析研究 简要介绍了抗滑桩板墙的结构特点 并与其他支挡结构进行对比分析 研究了抗滑桩板墙结构计算特点 分别讨论了静力 动力两种条件下的 计算特点 对国内外常用的计算方法作了探讨 并且提出了一些方法的局限性 仔细分析了抗滑桩板墙结构的静动两种荷载 列出了公路与铁路车辆荷 载的换算方法 重点分析了地震动荷载的作用机理 介绍了地震荷载的载荷持续 时间 动荷的频率 动荷引起的体系振幅这几大要素 第三章地震条件下支挡结构稳定的分析方法及研究重点 1 7 第三章地震条件下支挡结构稳定的分析方法及研究重点 目前 边坡支挡结构的计算方法主要分成解析法和数值方法 在这一章里 将研究地震条件下边坡支挡结构稳定性的两种方法 重点讨论数值计算法 3 1 地震条件下解析分析方法简介 解析法的基本思想是从微分控制方程出发 应用数学推理得到问题的一般 解 然后利用边界条件得到定解 解析法属于精确解 适用于可假定简化物理条 件 边界条件比较简单等问题求解 由于实际岩土边坡工程中 岩石和土体的性 质和边界条件的复杂性 使解析法在整个求解域内很难建立合乎要求的函数或方 程 导致求解困难 在某些条件简化的情况下 计算结果可能不尽相符 解析法 的优势是原理简单 计算方便 目前在岩土工程实例常常采用大量实测数据反演 得到经验系数或参数 再在这些经验系数或参数的基础上进行简化解析计算 得 到的结果比较合理 这也是解析法大量应用于实际工程的原因之一 下面就讨论 两种主要的解析方法 3 1 1 拟静力分析法 拟静力法是一种用静力学方法近似解决动力学问题的简易方法 它发展较 早 迄今仍然被广泛使用 其基本思想是在静力计算的基础上 将地震作用简化 为一个惯性力系附加在研究对象上 其核心是设计地震加速度的确定问题嘲 拟 静力法是将地震作用简化为水平方向或垂直方向的不变加速度作用 此加速度 产生作用于不稳定体质心的惯性力 用水平和垂直拟静力因子表示 根据极限平 衡理论 将所有作用于潜在滑动体上的力沿滑动面进行分解 得出沿滑动面的安 全系数嘲 安全系数与边坡材料特性 c 破坏面形状和位置 l 曲 6 w 和地震力大 小 风 k 相关 在拟静力分析中 边坡材料特性值可通过现场或实验室相应实 验测定 而破坏面形状和位置常根据边坡地质条件用经验或工程类比来确定 且 简化为直线形 圆形或非圆形等 而对地震力大小的计算 即水平和垂直拟静力 因子r h 和k v 的取值研究较多 拟静力法的优点很突出 它物理概念清晰 与全面考虑土体与结构物动力相 互作用的分析方法相比 计算方法简单 计算工作量很小 参数易于确定 并积 累了丰富的使用经验 易为设计工程师所接受 该方法在一定条件下 如基础的 振动问题 与实际情形符合较好 能够对所求解的问题提供定性认识和物理解 l8 第三章地震条件下支挡结构稳定的分析方法及研究重点 释 求解结果具有较严格的物理意义 还能够大量减少采用数值方法的计算量 基于这些优点 工程抗震设计中 港口工程结构物抗震n 钔与水运工程抗震设计规 范n 朝中关于被动桩的抗震设计仍采用拟静力法或反应谱法 3 1 2n e w m a r k 滑块分析法 拟静力法只提供一个稳定指标 安全系数 但没有与破坏面相关的变形信 息 永久地震位移分析常采用n e w m a r k 滑块模型 n e m m r k 19 6 5 当安全系数 小于1 时 潜在破坏体不再保持平衡 从而破坏体在不平衡力作用下会加速下滑 此状态类似于位于斜面上的物体如下图3 1 所示 在地震动荷载作用下 滑移结 构与斜坡体由相对静止状态转变为滑动状态 在图3 1 当中当滑体与斜坡处于黏 合状态时 由斜坡传入滑体的能量不受限制 弹性滑体上部的动力响应较大 而 当滑体进入滑动状态后 塑性滑动位移有效地限制了传入滑体内部的能量 进而 阻止了塑性滑动位移的迸一步发展 n e v a n a r k 利用此类比发展了与任何地震动相 关的边坡永久位移的预测方法啪 该模型尽管很近似 但比传统拟静力分析提供 更多信息 段 图3 1 计算模型示意图 f i g 3 1s k e t c ho fc o m p u t a t i o nm o d e l 标准滑块分析基于如下假定 潜在滑动体是完全刚性的 滑块与滑面间是完 全塑性应力一应变特性关系 破坏面形状是平面 而实际边坡并非如此 实际边 坡动力反应依赖于地质条件 滑动体刚度及输入的幅值和频率 一些研究者对n e w m a r k 分析法进行了扩充 g i o v a n n ib i o n d i 2 0 0 0 在饱和 无凝聚力土边坡中采用n e w m a r k 分析法并考虑了地震引起的孔水压和剪力强度 降低对位移的影响 应用此模型利用谐波和实际地震波进行参数分析 得出各参 数影响 位移反应显示饱和无凝聚力土边坡地震稳定分析若忽略孔水压会低估其 反应嘲 n e m m r k 分析法在很多实际结构中得到了应用 2 0 0 7 年 李红军和迟世春等 瞄3 采用改进的n e w m a r k 滑块位移法对加筋坝坡的抗震稳定性和地震变形等进行 了研究 结果表明加筋抑制地震变形显著 可有效地限制高土石坝坝顶的侧向滑 动变形 提高了坝体的抗震稳定性 t a y l o rl a r r yr 1 9 9 5 对有粘土界面的加 第三章地震条件下支挡结构稳定的分析方法及研究重点 1 9 利福尼亚t o y o nc a n y o n 固体废物场的覆盖层进行了地震稳定性分析 根据界面 剪切实验得到的屈服加速度 采用n e w m a r k 分析法对土与界面上的屈服位移进行 了计算 对比不同覆盖物的计算屈服加速度和变形分析结果 获得了不同覆盖物 的预期结果并进行了比较啪1 k a n t h a s a m yk m 2 0 0 0 完成了洛杉矶 高地震区 的p i e r 4 0 0 滑坡计划 p i e r 4 0 0 设计组将离心模型实验 完全动力有限元分析程 序d y s a c 2 m u r a l e e t h a r a n 1 9 8 8 1 9 9 7 b 传统拟静力法和n e w m a r k 分析法有效 组合 提出了安全经济的设计方法m 近年来还开展了有关n e w m a r k 分析法可靠性的实验研究 w a r t m a nj o s e p h 1 9 9 8 为评价n e w a r k 分析方法的应用范围和准确性 在振动台上进行边坡物理 模型的强震实验 发现边坡中出现了较大的转动 平动和较小的破坏运动 应用 n e w m a r k 分析方法进行反分析得出 1 测量位移介于采用峰值和残余剪切强度 计算结果中间 2 真正的变形时间超过堤坝强震动力反应结束时的时间 3 地 表运动是剪切面位移和滑动体内部应变之和 3 2 地震条件下数值分析方法 近年来 随着计算机的快速发展 以往通过手工完成的工作现在也可以依靠 计算机的强大功能来完成 在边坡稳定分析当中也已经大量使用 无论是静力还 是在地震作用下 边坡的数值分析计算都有较成熟的计算软件和计算方法 3 2 1 概述 岩土工程中数值方法的迅猛发展得益于计算机技术的快速发展 使其日益普 及并被工程人员所采用 一般而言 岩土工程中常用的数值方法有 有限差分法 有限单元法 无网格法 拉格朗日法 离散单元法及非连续变形分析法等 其中 有限单元法是在岩土工程中应用最为广泛的数值方法 它能较容易处理分析域的 复杂形状及边界条件 可用于分析静力 动力 抗震等方面分析 本论文中即用 有限单元法进行高陡边坡抗滑桩板墙的数值分析 有限元是最早应用于岩土边坡地震反应分析的 自从c l o u g h 和c h o p r a t 蚓 采用有限元分析土坝的地震反应以来 有限元法已经在岩土边坡地震反应分析中 获得了广泛应用和发展 有限元发展的初期 用线弹性模型表示土的应力应变关 系 采用振型叠加法求解动力方程 后来 许多学者从本构模型 计算方法等方 面不断加以改进 有限单元法将一个表示结构或连续体的求解域离散为若干个子 域 或单元 并通过它们的边界上的节点 或结点 相互连接成为组合体 然 后用每个单元内所假设的近似函数来分片地表示全求解域内待求的未知场函数 最后通过和原问题数学模型等效的变分原理或加权余量法 建立求解基本未知量 2 0 第三章地震条件下支挡结构稳定的分析方法及研究重点 的代数方程组或常微分方程 求解此方程 从而得到问题的解答 计算功能已从 最初的线性总应力分析方法 逐步发展为基于非线性有限元基础上的有效应力动 力分析方法和采用复杂弹塑性模型并考虑岩土体与水耦合作用的动力分析方法 从只能分析一维问题发展到能够分析二维 三维问题 从只能分析饱和土体发展 到能够分析多相非饱和土体 本构模型从早期的线弹性模型发展为粘弹性模型 弹塑性模型 边界面模型 内时模型和结构性模型等 1 动力
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